Κατασκευή και μέτρηση ιδιοτήτων σύνθετων υλικών πολυεστερικής μήτρας με πρόσθετο νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, μια νέα γενιά σύνθετων υλικών έχει προσελκύσει το παγκόσμιο επιστημονικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, αφορά τη μελέτη και κατασκευή σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με εγκλείσματα κεραμικών υλικών στη νανο-κλίμακα. Αυτού του είδους τα σύνθετα υλικά, έχουν μία σειρά από ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές ιδιότητες, οι οποίες μπορούν να βρουν εφαρμογή σε πολλούς τεχνολογικούς κλάδους και σε διάφορες χρήσεις, όπως αισθητήρες θερμοκρασίας, υλικά ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης και ηλεκτρικούς διακόπτες χρονικής καθυστέρησης στην μικροηλεκτρονική είναι μερικές από τις διάφορες χρήσεις τους. Βάσει αυτού του γεγονότος δικαιολογείται και η βαρύτητα που έχει δοθεί στην έρευνα τέτοιων υλικών. Όσο για την επιλογή της νανο-κλίμακας (σωματίδια μικρότερα των 100nm), αυτό έχει να κάνει με το ότι οποιoδήποτε υλικό σε κλίμακα νανο- διαθέτει μοναδικές ιδιότητες και συνήθως αρκετά διαφορετικές και ελκυστικές σε σχέση με μεγαλύτερες διαστάσεις, ανάλογα βέβαια και την εφαρμογή για την οποία προορίζεται το εκάστοτε υλικό, λόγω της μεγάλης διεπιφάνειας που δημιουργείται και των φαινομένων που σχετίζονται με αυτήν. Τα κεραμικά εγκλείσματα μπορούν να έχουν και άλλες ιδιότητες, όπως για παράδειγμα να είναι πιεζοκρύσταλλοι, να εμφανίζουν το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο ή το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, ιδιότητες οι οποίες προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες και λειτουργική συμπεριφορά στο σύνθετο υλικό, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στη χρήση τέτοιων προηγμένων σύνθετων και ταυτοχρόνως ‘ευφυών συστημάτων’. Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία, παρήχθησαν σύνθετα υλικά πολυεστερικής πολυμερικής μήτρας (τόσο εργαστηριακής προέλευσης όσο και εμπορικής) με πρόσθετο νανο-σωματίδια τιτανικού βαρίου από 3%-20% w/w. Ο λόγος για τον οποίο επιλέχτηκαν οι συγκεκριμένες επιμέρους φάσεις για τη δημιουργία των σύνθετων υλικών είναι ότι στο παρελθόν δεν έχει παρασκευαστεί και μελετηθεί ο συγκεκριμένος τύπος σύνθετων υλικών (πολυεστέρας-τιτανικό βάριο). Σκοπός λοιπόν της Μεταπτυχιακής Εργασίας είναι η παρασκευή των προαναφερθέντων σύνθετων υλικών και η μελέτη όχι μόνο των μηχανικών και διηλεκτρικών τους ιδιοτήτων αλλά και ο χαρακτηρισμός της δομής τους. Τα παραχθέντα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν μειούμενες μηχανικές αντοχές σε κάμψη και διάτμηση αυξανομένου του ποσοστού του προσθέτου σε BaTiO3. Επίσης τα δοκίμια με μήτρα εμπορικού πολυεστέρα επέδειξαν καθαρά ψαθυρή συμπεριφορά σε αντίθεση με τα δοκίμια εργαστηριακού πολυεστέρα τα οποία χαρακτηρίστηκαν ως ελαστομερή, κάτι το οποίον είναι χρήσιμο για πιθανές εφαρμογές τέτοιων σύνθετων υλικών (πχ. σε καλώδια). Όσο για τις διηλεκτρικές ιδιότητες, για εύρος συχνοτήτων από 10-1-106Hz και για εύρος θερμοκρασιών -100 oC έως 160oC, εμφανίστηκαν τόσο η α- όσο και οι β- και γ-χαλαρώσεις καθώς και η διεπιφανειακή πόλωση. Σχετικά με την αγωγιμότητα εναλλασσομένου τα σύνθετα υλικά, κατατάσσονται για μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών στους μονωτές καθώς και στην κατηγορία των ημιαγωγών ευρέος χάσματος, με χαρακτηριστικές τιμές 10-15 S/cm < σ <10-6 S/cm. Εξαιτίας όμως των νανο-σωματιδίων BaTiO3 τα σύνθετα υλικά, εάν είχαν ενεργοποιηθεί κατάλληλα θα μπορούσαν να επιδείξουν πιεζοηλεκτρικές, σιδηροηλεκτρικές και πυροηλεκτρικές ιδιότητες. Ενώ με τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της δομής των νανο-σύνθετων υλικών, εξετάστηκαν το είδος του πλέγματος, η τοπογραφία, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης καθώς και η διασπορά των νανο-σωματιδίων στην εκάστοτε πολυμερική μήτρα. Τέλος, με τη χρήση των μεθόδων-τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν, επετεύχθη ακριβής ταυτοποίηση μήτρας και νανο-σωματιδίων.

The last years, a new generation of composite materials has attracted world’s scientific interest. More specifically this interest leads to the study and manufacture of ceramic-polymer composites including ferroelectric crystal particles in the nano-scale. This type of composite materials, have a lot of interesting electric properties, which can find application in a lot of technological sectors and in various uses, such as sensors of temperature, electromagnetic interference (EMI) shielding and electrostatic dissipation (ESD) of charges, time delay electrical switches are some of the various uses in microelectronics. Based on this fact, the tendency to promote the investigation of such materials is justified. As far as the selection of nano-scale, this has to do with the fact that whichever material in nano-scale (particles less than 100nm), has unique properties and commonly quite different and attractive, in comparison with a material in bigger scale dimensions, such as bulk materials, this occurs due to large interface and the phenomena that are related with it. Of course this selection process depends on the specific case and the specific application, where the material should be operative.

The ceramic inclusions might posses other additional interesting properties, as for example they could be piezo- and/or ferro-electric crystals or might exhibit pyro-electric behaviour. Such properties can lend additional possibilities and functional behavior in the composite material’s performance, opening thus new horizons in the use of such advanced composite and simultaneously ‘smart systems’.

In this Master Thesis, development of composite materials with polyester polymer matrix (not only commercial type of polyester, but also laboratory type of polyester) with additional barium titanate nano-particles (nano-inclusions) took place. The contents of barium titanate in the composites, ranged from 3% to 20% w/w. The reason why these types of individual phases were selected for the development of the composite materials is due to no existence of such development or study concerning these materials (polyester-barium titanate) in the past.

The aim of this Master Thesis is to develop this type of composite materials and study not only their mechanical and dielectric properties but also their structure. The composite specimens have the following characteristics: their mechanical strengths reduced, with the increase of BaTiO3 content. Specifically, the specimens with commercial polyester as polymer matrix exhibit clearly brittle behavior, in comparison with the behavior of laboratory polyester specimens. These specimens exhibit completely different behaviour that characterizes elastomer materials, property which is very useful in some applications (eg. cables). The dielectric measurements took place under the following conditions: frequency range between 10-1-106Hz and temperature range between -100oC and 160oC. In this range of the previous parameters relaxation phenomena of α-, β-, γ-relaxation and interfacial polarization became evident. Concerning the measured a.c. conductivity values of the specimens, these materials belong to insulators category for a long range of frequencies and temperatures but also in large energy gap semi-conductors category, with values between 10-15 S/cm < σ <10-6 S/cm. Due to the existence of BaTiO3 nano-particles these composite materials could exhibit piezoelectrical, ferroelectrical and pyroelectrical properties, provided that an activation procedure is preceded. Whereas with the study of the nano-composites’ structure a lot of information came to surface. For instance some of this information has to do with the type of the grid, the topography, the glass transition temperature and the dispersion of nano-particles in each polymer matrix. Finally, using such methods-techniques accurate matrix and nano-particles identification is achieved.